JP2004364366A - Pwm control system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の利用分野】
本発明はPWM制御システムに関するものである。本発明のPWM制御システムは、交流モータ、パルスモータを含む直流モータ等各種の負荷の駆動制御に利用可能である。本発明に係わるPWM駆動制御システムは、モータ制御、表示ディバイス制御、音声出力制御、振動制御、触感制御、噴霧制御、混合制御等制御対象負荷の運転状態に応じて、負荷の駆動回路をデューティ比による駆動制御できるものであれば、広く適用可能である。
【0002】
【従来の技術】
従来、PWM方式によって、例えばDCモータを駆動しており、あらかじめ設定されたPWM周期の駆動指令信号を発生させ、DCモータに必要なトルクが得られるように駆動指令信号のデューティ比を設定し、スイッチング素子をスイッチングさせるようにしている。
DCモータの駆動装置のシステムブロックにおいて、DCモータ全体の制御を行うCPUと、CPUからシステムバスを介して指令を受け、駆動指令信号を発生するPWM制御部が設けられている。駆動指令信号のデューティ比は前記DCモータに必要なトルクに比例するように設定される。
また、例えば、特開平7−163189号公報には、三角波等所定の波形を有する基準信号とモータに対する指令信号とが比較され、基準信号を指令信号によりPWM変調したスイッチング信号によるPWMモータ制御方式が記載されている。
さらに、特開2000−37079号公報には、外部から入力される信号波基準信号を基にした指令値となる信号波の出力と制御情報の設定とを行うCPUと、信号波基準信号を入力として、周波数が信号波基準信号の周波数のてい倍となるパルスおよび信号波基準信号が特定の位相になったことを示す位相基準信号を出力するPLL回路と、PLL回路から出力されるパルスを、予めCPUで設定された分周比で分周する分周器と、分周器の出力を入力として、PLL回路からの位相基準信号のタイミングで予め設定された所定の値に設定し、その値から別途設定された所定の二値間でアップ、ダウンカウントを繰り返し搬送波を出力するアップ/ダウン・カウンタと、搬送波と信号波とを比較してその大小に応じて、電力変換器のスイッチング素子のON/OFF制御を行うスイッチング信号を出力する比較器と、を有するPWM回路において、CPUで設定された分周器の分周比を一旦保持する第1のレジスタと、一旦保持された分周比をPLL回路からの位相基準信号のタイミングで入力して保持し、分周器に反映させる第2のレジスタとを備えたことをPWM回路が開示されている。このPWM回路では、スイッチング信号のON/OFFにより、負荷に供給される駆動信号のデューティ比が変更される。
【特許文献1】特開平7−163189号公報
【特許文献2】特開2000−37079号公報
【発明が解決しようとする課題】
負荷の運転効率を高めるためなどに、PWM周期を変動させる駆動方法が必要となってきているが、従来の制御方式では、PWM駆動周波数は固定状態でのみに用いられている。また、従来のPWM制御方式にはノコギリ波発生のためのアナログ回路が必要であった。
【0003】
そこで、本発明はこのような問題を解決するために、PWM周期を変動可能であり、かつ、負荷の運転状態に応じてデューティ比を設定可能な、フルロジックで形成可能PWM制御システムを提供することを目的とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、PWM制御システムにおいて、基本周波数信号を分周してPWM基本波を形成するPWM基本波発生手段と、PWM基本波に基づいてPWM周期を設定するPWM周期設定手段と、PWMの1周期毎のデューティ比(N/M:N≦M,Mは最大クロック数)を設定するデューティ比設定手段と、このデューティ比を持ったPWM制御信号を負荷の駆動回路に出力するPWM制御信号出力手段と、を備えてなることを特徴とするものである。
【0005】
本発明の形態において、前記PWM周期設定手段は、PWM基本波の前記M値分のクロック数をPWM周期とした。負荷の運転状態に合わせて前記分周値(M)とデューティ比設定値(N)とを決定する制御特性設定手段をさらに有する。PWM基本波発生手段は、基本周波数信号をPLL回路によってM分周することにより、PWM基本周波数信号を形成する。前記PWM制御信号出力手段は、前記出力されるPWM制御信号の極性を切り換えて、交流のPWM制御信号を出力するものである。前記PWM基本波発生手段は、交流駆動周波数信号の周期にPWM周期をロックするように構成されてなる。
【0006】
本発明はさらに、負荷の運転状態検出手段、負荷の運転状態指令手段、運転指令状態に応じた分周率で基本波を分周するPLL回路、PLL回路からの出力と負荷の運転状態検出値とを比較する比較手段を備え、この比較結果を記述のPWM制御システムに供給し、この比較結果に応じたデューティ比のPWM制御信号を負荷の駆動回路に出力してなる、ことを特徴とするものである。
【0007】
本発明によれば、PWM基本波にPWM周期を変更する変調をかけ、かつ、負荷の運転状態に応じてデューティ比を変更する変調をかけることができるために、PWM周期の変更とデューティ比の変更をアナログ回路の利用無くして確実に実行できる。
【実施の形態】
図1に本発明に係わるPWM制御システム1の代表機能ブロック図を示す。このPWM制御システムは直流モータの駆動制御システムである。図1において、符号10は水晶発信器であり、符号12は水晶発信器の発振周波数を分周するPLL回路を備えるPWM基本波発生部である。この分周率はCPU16によって決定され、レジスタ14に設定されている。PLL回路によって基本周波数クロックが分周されたPWM制御用基本波のクロック信号(F(Hz))が形成される。
図2の(1)には、PWM制御用基本波のクロック(PWM−CLK)が示されている。図1の符号18はPWM周期を形成させるための制御パラメータのレジスタであり、このパラメータが後述のデューティ比設定のための最大値として設定記憶されている。符号20はPWM制御波のデューティ制御用パラメータ(N)のレジスタである。M値及びN値は、負荷の運転状態とこれら数値との関連特性がメモリに設定されたCPUによって、前記レジスタに設定される。N値を数値テーブルにすることにより複雑なパターンのPWM制御を実現することが可能となる。また、N値をアナログ比較器から決定することにより、アナログ信号からPWM制御を実現することも可能である。
図2の(2)はこのPWM制御用基本波のクロックの拡大図である。PWM周期を設定するためのM値が、図1のシステム全体を制御するCPU16によって決定されると、(3)のように、PWMの基本波の周波数が(1/M)に分周されて、基本波のMパルス毎にPWM周期を決定するパルスが出力される。この結果、PWM周期(T)が基本波(1)のMパルス分の期間に設定されたことになる。なお、図2ではM=20の場合が示されている。PWM周期形成部22の分周回路は、レジスタ18の設定値を読み込んで、PWM基本クロックを(1/M)してPWM周期パルスを出力するように構成されている。
【0008】
デューティ比形成部24は、PWM周期のパルスが入力されるたびに、リセットされるカウンタを備え、さらに、レジスタ20に記憶されているN値を読み込み、PWM周期の間PWM基本クロックのNクロック分を計測して、N/Mのデューティ比を持った駆動信号(PWM−OUT)を出力する。
図2の(4),(5)はN/Mのデューティを持ったPWM変調された駆動制御指令信号波を示す波形特性であり、(4)はN/M=1/20(5%)のデューティ比を持った制御波形であり、(5)はN/M=19/20(95%)のデューティ比を持った制御波形である。この制御波形(PWM−OUT)が各種の負荷の駆動回路に出力される。
【0009】
図3は、第2の実施形態に係わるものであり、図1の実施形態と異なる部分は、デューティ比形成部24が極性切換手段30を備えている点である。この極性切換手段は、N/Mのデューティ比を持ったPWN制御用パルスをその極性を切り換えて交互に出力する。図4の4A,5Aは正極時のデューティ比制御された波形である。このとき、正極の出力端子PWM−OUT(+)には、PWM周期毎に出力されるパルス(図4(3))に同期して、デューティ比が制御された制御パルス(4A,5A)が出力され、負極のための端子PWM−OUT(−)にはこの制御パルスが出力されていない(図4(10A))。
図4の4B,5Bは負極時のデューティ比制御された波形である。このとき、負極の出力端子PWM−OUT(−)には、PWM周期毎に出力されるパルス(図4(3))に同期して、デューティ比が制御された制御パルス(4B,5B)が出力され、正極のための端子PWM−OUT(+)にはこの制御パルスが出力されていない(図4(10B))。
図4の20A,20Bは負荷駆動回路に供給されるPWM制御指令波(PWM−OUT(+),PWM−OUT(−))からなる、お互いに同一の交流制御波である。極性切換手段は、PWM制御波の極性を交互に切り替えながら、既述のデューティ比制御を行い、正極側出力端子での出力と負極側出力端子での出力とを合成させた交流出力が負荷の駆動ドライバ回路に供給される。
図3のPWM制御指令波が交流駆動型負荷(交流モータ)のドライバに入力されると、負荷に印加されるインバータの電圧を決められたデューティ比でスイッチグすることにより、負荷に供給される電力を制御することが可能となる。
【0010】
図5は第3の実施形態に係わるものであり、第2の実施形態と異なる点は、交流駆動周波数信号50がPWM基本波発生回路12に入力され、交流駆動周波数の周期をPWM周期として維持することが示されている。
交流駆動周波数を変動させることによって負荷、例えば交流モータの回転速度を変化させることが可能となるが、図5の実施形態によれば、さらに負荷の運転状態に合わせて負荷に供給されるPWM駆動指令信号のデューティ比を変化させることが可能となる。
【0011】
図6はこの実施形態に係わる制御波形特性図を示すものである。PWM基本波発生部12は、交流駆動周波数(図6の(30))の1周期にPWMクロック信号(1)の2*Mパルスが来るように、PWM周期を交流駆動周波数にロックする(3)。
【0012】
CPU16は、負荷の運転状態に応じてデューティ値設定のためのNを決定し、これをレジスタ18に記憶する。デューティ比形成部24では、PWMクロックのMパルス毎に出力されるPWM周期信号(極性切り換え信号)毎にPWMクロックをNパルスカウントし、デューティ比(N/M)を設定する。
極性切り換え信号の出力周期毎に、デューティ比設定部24は、デューティ比を持ったPWM制御信号を正極側の出力端(PWM−OUT(+))と負極側の出力端(PWM−OUT(−))に交互に出力する(5A,5B)。この結果、図6の(10)に示すように、交流駆動周波数に対応する周期を持つ、デューティ比制御された交流のPWM制御波を形成することが可能となる。
【0013】
図7は、図1(或いは図3,図5)のPWM制御回路1をモータ74の回転速度制御装置に応用した実施形態を示したものである。モータからの検出信号を、PLLを介して帰還させ、負荷の運転状態検出信号に同期させて負荷の運転指令制御信号(回転速度指示波信号)を形成する。この結果、負荷の運転状態、例えばモータの回転速度の制御、例えば、増減速或いは速度維持、を実行することが可能となる。
【0014】
モータとしては、ステッピングモータ等の直流モータ、交流モータなど各種モータを利用できる。モータにはホール素子が設けられてロータの回転位置に応じて検出信号が出力される。この検出信号はPLLの位相比較器78に入力される。モータに対する速度指示16AはCPU16に与えられる。
CPU16はメモリ内の記憶テーブルから指示速度に対する分周率を決定し、この分周率を記憶部80に設定する。回転速度指示形成部82のPLL回路は、この分周率を記憶部80より読み込み、基本発振周波数をこの分周率で分周する。
【0015】
分周されたPLL周波数は位相比較器78に供給され、位相比較結果に応じてモータの回転速度のアップ又はダウンが決定され、いずれかの指令値がカウンタ76に供給される。カウンタにはPWMクロック周波数が供給されている。
【0016】
図8はその制御波形を示すものであり、(1)は図2のPWMクロック周波数を示している。(100)は、回転速度指示波形成部82から出力される回転速度指示波である。(102)は回転速度センサ部70から検出パルスであり、位相比較部78は、PWMクロックパルス(1)に同期して、回転速度指示波と検出パルスとの位相差に相当する位相差信号をカウンタ76に出力し、カウンタ76はこの期間カウンタ値をアップさせる(104)。このカウンタ値のアップがあると、モータの回転速度をアップさせるとして、カウント値(N)がカウンタ76によりPWM制御回路1に設定される。PWM制御回路はこのN値からデューティ比(N/M)を決定し、図1のようなデューティ比を持ったPWM制御指令信号をモータ駆動部72に出力する。
【0017】
回転速度センサ部70からの検出波の周波数が低く、モータの回転速度が低いため、CPU16はより大きい値の位相差が出るように、分周率を選択し、これを記憶部80に設定する。なお、モータの回転速度の増加時には、比較部78からダウン指令は出力されない(図8(104A))。
【0018】
一方、モータの回転速度の減速時では、すなわち、図8の(106)のようにモータの回転速度が高い状態からモータの回転速度を低下させようとする際、(108)に示すように、回転速度指示パルスと回転速度検出パルスと間に位相差が現れる。この間カウンタ76のカウント値が減算されて、これが順次ダウン信号としてPWM制御部1に出力される。
PWM制御回路1は、このカウンタ値が低下されると、それに応じてNが低下されて、デューティ比を低く設定する。モータの減速時にはアップ指令は出力されない(106A)。CPUは設定速度とモータの回転速度検出値からモータの回転速度の増加、減少の必要性を判別し、カウンタ76にカウンタのカウントアップフラグ或いはカウントダウンフラグを設定する。カウンタはこのフラグをチェックして、PWM制御クロック(1)と同期してカウントアップ又はカウントダウンを実行する。
図9は、本発明のさらに他の実施形態に係わるものであり、既述の実施形態と異なる点は、論理回路ゲートによって制御ブロックを構成する代わりに、パソコンによって制御ブロックを構成した場合を示している。CPU16は、モータの回転速度センサの検出値からモータの回転速度を演算し、回転速度演算値と速度指示部16Aから指示された指示値とを比較し、比較結果に応じて図1に示すように、PWM制御指令信号のデューティ比を調整する。すなわち、速度検出値が速度小さいときにはデューティ比(N/M)を増加させ、そうでないときにはこれを減少させる。
以上説明したPWM制御システムによれば、PWM駆動周波数(M)が変動しても、デューティ比を(N/M)に基づいて設定できるために、PWM周期に応じたPWM駆動制御を安定的に行えるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるPWM制御ブロックの機能ブロック図。
【図2】その波形特性図。
【図3】第2の実施形態に係わるPWM制御ブロックの機能ブロック図。
【図4】その波形特性図。
【図5】第3の実施形態に係わるPWM制御ブロックの機能ブロック図。
【図6】その波形特性図。
【図7】PWM制御ブロックをモータの速度制御システムに応用した実施形態を示す機能ブロック図。
【図8】その波形特性図。
【図9】PWM制御をパソコンにより実現した機能ブロック図である。
【符号の説明】10:水晶発信器、12:PWM基本波発生部、14,18,20:レジスタ、16:CPU、22:PWM周期形成部、24:デューティ比形成部。[0001]
Field of application of the invention
The present invention relates to a PWM control system. The PWM control system of the present invention can be used for drive control of various loads such as a DC motor including an AC motor and a pulse motor. The PWM drive control system according to the present invention includes a duty ratio control circuit for controlling a load drive circuit in accordance with an operation state of a load to be controlled such as motor control, display device control, audio output control, vibration control, tactile control, spray control, and mixing control. As long as it can be controlled by the above, it can be widely applied.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, a DC motor is driven by a PWM method, a drive command signal of a preset PWM cycle is generated, and a duty ratio of the drive command signal is set so that a torque required for the DC motor is obtained. The switching element is switched.
In the system block of the DC motor driving device, a CPU that controls the entire DC motor and a PWM control unit that receives a command from the CPU via a system bus and generates a drive command signal are provided. The duty ratio of the drive command signal is set so as to be proportional to the torque required for the DC motor.
Further, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-163189 discloses a PWM motor control method using a switching signal obtained by comparing a reference signal having a predetermined waveform such as a triangular wave with a command signal for a motor, and performing a PWM modulation of the reference signal with the command signal. Has been described.
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-37079 discloses a CPU for outputting a signal wave serving as a command value based on a signal wave reference signal input from the outside and setting control information, and a signal wave reference signal. A PLL circuit that outputs a pulse whose frequency is a multiple of the frequency of the signal wave reference signal and a phase reference signal indicating that the signal wave reference signal has a specific phase, and a pulse that is output from the PLL circuit, A frequency divider for dividing by a frequency division ratio set in advance by a CPU, and an output of the frequency divider as an input, set to a predetermined value preset at the timing of a phase reference signal from the PLL circuit, and set the value An up / down counter that repeats up and down counting between predetermined two values set separately from each other and outputs a carrier wave, and compares the carrier wave with the signal wave and switches the power converter according to the magnitude. In a PWM circuit having a comparator that outputs a switching signal for performing ON / OFF control of a switching element, a first register that temporarily holds a frequency division ratio of a frequency divider set by a CPU, A PWM circuit is disclosed that includes a second register that inputs and holds the frequency division ratio at the timing of the phase reference signal from the PLL circuit and reflects the frequency division ratio in the frequency divider. In this PWM circuit, the duty ratio of the drive signal supplied to the load is changed by ON / OFF of the switching signal.
[Patent Document 1] JP-A-7-163189 [Patent Document 2] JP-A-2000-37079 [Problems to be Solved by the Invention]
In order to increase the load operation efficiency, a drive method for changing the PWM cycle is required. However, in the conventional control method, the PWM drive frequency is used only in a fixed state. Further, the conventional PWM control method requires an analog circuit for generating a sawtooth wave.
[0003]
Therefore, in order to solve such a problem, the present invention provides a PWM control system capable of changing a PWM cycle and setting a duty ratio in accordance with an operation state of a load and capable of being formed by full logic. It is intended for that purpose.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the present invention provides a PWM control system, comprising: a PWM fundamental wave generating means for dividing a fundamental frequency signal to form a PWM fundamental wave; and a PWM cycle for setting a PWM cycle based on the PWM fundamental wave. Period setting means, duty ratio setting means for setting a duty ratio (N / M: N ≦ M, M is the maximum number of clocks) for each period of PWM, and driving a PWM control signal having this duty ratio to a load And a PWM control signal output means for outputting to a circuit.
[0005]
In the embodiment of the present invention, the PWM cycle setting means sets the number of clocks for the M value of the PWM fundamental wave as a PWM cycle. There is further provided control characteristic setting means for determining the frequency division value (M) and the duty ratio set value (N) in accordance with the operation state of the load. The PWM fundamental wave generating means forms a PWM fundamental frequency signal by dividing the fundamental frequency signal by M using a PLL circuit. The PWM control signal output means switches the polarity of the output PWM control signal and outputs an AC PWM control signal. The PWM fundamental wave generation means is configured to lock a PWM cycle to a cycle of the AC drive frequency signal.
[0006]
The present invention further provides a load operating state detecting means, a load operating state commanding means, a PLL circuit for dividing a fundamental wave by a frequency division ratio according to the operating command state, an output from the PLL circuit and a load operating state detection value. And comparing means for supplying the PWM control signal with a duty ratio according to the comparison result to a drive circuit of the load. Things.
[0007]
According to the present invention, the PWM fundamental wave can be subjected to modulation for changing the PWM cycle and the modulation for changing the duty ratio in accordance with the operation state of the load. The change can be reliably executed without using an analog circuit.
Embodiment
FIG. 1 shows a representative functional block diagram of a
FIG. 2A illustrates a clock (PWM-CLK) of a PWM control fundamental wave.
FIG. 2B is an enlarged view of the clock of the PWM fundamental wave. When the M value for setting the PWM cycle is determined by the
[0008]
The duty
(4) and (5) in FIG. 2 are waveform characteristics showing a PWM-modulated drive control command signal having a duty of N / M, and (4) is N / M = 1/20 (5%). (5) is a control waveform having a duty ratio of N / M = 19/20 (95%). This control waveform (PWM-OUT) is output to drive circuits of various loads.
[0009]
FIG. 3 relates to the second embodiment, and differs from the embodiment of FIG. 1 in that the duty
4B and 5B in FIG. 4 are waveforms of which the duty ratio is controlled at the time of the negative polarity. At this time, a control pulse (4B, 5B) whose duty ratio is controlled is synchronized with the pulse (FIG. 4C) output every PWM cycle at the negative output terminal PWM-OUT (−). This control pulse is not output to the output terminal PWM-OUT (+) for the positive electrode (FIG. 4 (10B)).
When the PWM control command wave shown in FIG. 3 is input to the driver of an AC drive type load (AC motor), the voltage supplied to the load is switched by switching the voltage of the inverter applied to the load at a predetermined duty ratio. Can be controlled.
[0010]
FIG. 5 relates to the third embodiment. The difference from the second embodiment is that the AC
By changing the AC drive frequency, the load, for example, the rotation speed of the AC motor can be changed. According to the embodiment of FIG. 5, however, the PWM drive supplied to the load in accordance with the operation state of the load is further improved. The duty ratio of the command signal can be changed.
[0011]
FIG. 6 shows a control waveform characteristic diagram according to this embodiment. The PWM
[0012]
The
For each output cycle of the polarity switching signal, the duty
[0013]
FIG. 7 shows an embodiment in which the
[0014]
As the motor, various motors such as a DC motor such as a stepping motor and an AC motor can be used. The motor is provided with a Hall element and outputs a detection signal according to the rotational position of the rotor. This detection signal is input to the
The
[0015]
The frequency-divided PLL frequency is supplied to the
[0016]
FIG. 8 shows the control waveform, and (1) shows the PWM clock frequency of FIG. (100) is a rotation speed instruction wave output from the rotation speed instruction
[0017]
Since the frequency of the detection wave from the rotation
[0018]
On the other hand, when the rotation speed of the motor is reduced, that is, when the rotation speed of the motor is to be reduced from a state where the rotation speed of the motor is high as shown in (106) of FIG. 8, as shown in (108), A phase difference appears between the rotation speed instruction pulse and the rotation speed detection pulse. During this time, the count value of the
When the counter value decreases, the
FIG. 9 relates to still another embodiment of the present invention. The difference from the above-described embodiment is that a control block is constituted by a personal computer instead of a control block constituted by logic circuit gates. ing. The
According to the PWM control system described above, even if the PWM drive frequency (M) varies, the duty ratio can be set based on (N / M), so that the PWM drive control according to the PWM cycle can be stably performed. There is an effect that can be done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a functional block diagram of a PWM control block according to the present invention.
FIG. 2 is a waveform characteristic diagram.
FIG. 3 is a functional block diagram of a PWM control block according to a second embodiment.
FIG. 4 is a waveform characteristic diagram.
FIG. 5 is a functional block diagram of a PWM control block according to a third embodiment.
FIG. 6 is a waveform characteristic diagram.
FIG. 7 is a functional block diagram showing an embodiment in which a PWM control block is applied to a motor speed control system.
FIG. 8 is a waveform characteristic diagram.
FIG. 9 is a functional block diagram in which PWM control is realized by a personal computer.
[Description of Signs] 10: crystal oscillator, 12: PWM fundamental wave generator, 14, 18, 20: register, 16: CPU, 22: PWM cycle forming unit, 24: duty ratio forming unit.
Claims (9)
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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